FOMOP - Klimaneutrale Papiererzeugung Forschungscluster Modellfabrik Papier (FOMOP)

Förderkennzeichen | 03STG011F

Projektlaufzeit | 08/2023 – 07/2027

Ausgangssituation:

Die Papierindustrie ist auf dem fünften Platz der energieintensiven Branchen in Deutschland. Im Zuge der Transformation des Wirtschaftsbereiches Papier ist es Ziel, den Prozessenergiebedarf signifikant zu senken und nachhaltige Energieversorgungssysteme zu nutzen. Einsparungen lassen sich bei den Wärmekreisläufen der etablierten Herstellungstechnologien kaum noch erzielen, andere Energieversorgungssysteme sind in vorhandene Produktionsanlagen nicht ohne weiteres integrierbar. Es braucht also neue, mitunter disruptive Konzepte. Diese reichen von maßgeschneiderten Rohstoffen über erweiterte und innovative Prozesse und Verfahren sowie deren Energie- und Ressourceneffizienz bis hin zur Einbettung dieser Konzepte in ein Gesamtsystem der nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Im vorliegenden Forschungsvorhaben gilt es folglich, die ausgetretenen Pfade der kleinschrittigen, oft auf langwierigen Trial-and-Error Prozessen basierten Effizienzsteigerung zu verlassen und gänzlich neue Verfahren für die Erzeugung faserbasierter Werkstoffe systematisch zu entwickeln. Produktionsverfahren sind meist die Prozesse der direkten Stoffwandlung/-umformung, dabei wird die Energiebereitstellung meist nicht im Zusammenhang betrachtet.

Das Projekt:

Der Fokus unserer Arbeit am Institut NOWUM-Energy im FOMOP Projekt ist die Bestimmung des spezifischen Energiebedarfs pro Tonne Papier und der damit verbundenen CO2-Emissionen für die zu entwickelnden Technologien. Dazu werden zum einen die Technologien per Modellbildung und Simulation optimal in die Prozesskette der Papierherstellung integriert und diese Prozesskette als Ganzes betrachtet, also von der Faser über die Stoffaufbereitung bis hin zur Entwässerung und Trocknung. Entstehende Abwärme wird wieder in den Prozess integriert. Zum anderen muss der sich daraus ergebende Bedarf an Strom und Wärme möglichst CO2 neutral durch Energieversorgungsanlagen gedeckt werden, weshalb auch die CO2 neutrale Energiebereitstellung mit der Herausforderung der Volatilität im Fokus der Untersuchungen steht. Durch die Bündelung der energetischen Betrachtung und Bewertung der verschiedenen Technologien in diesem Teilvorhaben ist sichergestellt, dass sie einheitlich und konsistent erfolgt, sodass die einzelnen, im Verbundvorhaben entwickelten Technologien mittels Benchmarks vergleichbar sein werden.

Ein Teil der Untersuchungen beinhaltet die Umsetzung einer elektrifizierten Trockenpartie, um eine CO2 neutrale Energieversorgung durch den Einsatz von Strom aus regenerativen Energien zu ermöglichen. Dazu werden Konzepte zur Wärmerückgewinnung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus durch Integration von Hochtemperatur-Wärmepumpen, Brüdenkompression sowie der Niederdruck-Dampferzeugung in die Trockenpartie entwickelt.

Weiter wird eine Systematik zur Bewertung der Energieeffizienz der Papierherstellung entwickelt, in welche u.a. bei der Bestimmung der CO2-Emissionen zeitabhängige Effekte der Energiebereitstellung einfließen. Durch Modellbildung und Simulation werden anschließend Lösungen zur optimalen Integration der innovativen Technologien in die vier verschiedenen Papierherstellungsprozesse Tissue, Newsprint, Verpackung und gestrichene grafische Papiere entwickelt sowie der Energiebedarf und das Qualitätsniveau der benötigten Energie bestimmt. Für jede Lösung wird dann das hinsichtlich Aufwand und CO2 Emissionen optimale Energieversorgungssystem entwickelt. Durch den Einsatz volatiler Energieträger werden ferner Lösungen zur Umsetzung diskontinuierlicher Fahrweisen der Papiermaschinen entwickelt und geprüft, wie Energie- und Halbstoff-Speicher wirtschaftlich eingesetzt werden können, um den Einsatz CO2-ausstoßender Energieträger zu minimieren oder zu vermeiden. Zuletzt werden aus den Ergebnissen der Versuche an den Technologieträgern Benchmarks zum Vergleich der innovativen Technologien bestimmt.

Ziele:

Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es, durch wissensbasierte Ansätze die Basis für eine klimaneutrale Papierherstellung zu entwickeln, in der der spezifische Energiebedarf der Papierfertigung bis zum Jahr 2045 um 80 % reduziert und damit eine nachhaltige und zukunftsfähige Papierfertigung realisiert wird. Hierfür sollen an gänzlich neuen Technologieträgern bislang auf der Grundlage naturwissenschaftlicher und physikalischer bekannter Phänomene unbekannte technologische Fertigungskonzepte erarbeitet, untersucht und technoökonomisch bewertet werden, um in der Synergie die genannte Gesamtenergieeinsparung zu verwirklichen.